作者：贾宏俊，王 辉
（山东科技大学资源与土木工程系，山东泰安271000）
摘要：深部软岩地下工程围岩稳定性差且具有长期流变效应，由于支护不利导致围岩产生大变形破坏问题趋于突出。针对以上问题，以某深部软岩巷道工程建设为例，采用现场监测、数值模拟等方法，分析围岩长期变形趋势及破坏机理；针对围岩破坏特征，提出“刚柔”结合的软弱大变形巷道围岩新型支护方法：考虑围岩不同深度破坏情况不同，采用不同注浆方法分区域加固，形成“刚性”承载圈，并在巷道最外部设置缓冲层及可缩性U型钢支架，形成柔性加固圈。利用有限元模型对其支护效果进行数值模拟，结合现场监测变形数据分析，验证了新型支护方案的合理性。
关键词：深部软岩；巷道；支护；数值模拟；现场监测
中图分类号：X936；TD353 文献标志码：A doi：10.1 1731/j. issn．1673-193x．2015. 10. 002
0 引言
随着我国煤矿开采深度的不断增大，巷道工程施工逐渐穿越更为深部的岩层。研究表明：巷道埋深超过800m后，在高地应力作用下其围岩表现出的力学特性、变形破坏特征与浅部相比明显不同，围岩支护难度增大，尤其是软岩巷道。由于支护方法不当导致的深部软岩巷道失稳破坏现象屡见不鲜，严重影响其正常使用，同时后期的反复维修不但影响工程施工，而且将消耗大量财力物力。
针对以上问题，国内外学者采用理论分析、试验研究、数值模拟等手段，开展深部软岩巷道围岩力学特性、变形破坏机理及支护方式、支护强度和参数等方面的研究，为软岩巷道稳定性控制及变形破坏后的修复提供合理方法。深部巷道工程具有的典型特点是地质条件差异较大且地应力复杂多变，因此其变形破坏模式和支护方法不尽相同。目前，深部软岩巷道工程的支护及变形破坏后的修复技术一直是采矿及岩土工程领域研究的热点。
本文结合已有研究成果，以某矿区深部软岩大变形巷道为例，采用现场监测、数值模拟等方法，研究围岩变形破坏规律，在此基础上，提出一种“刚柔”结合的新型支护方法，为软弱大变形巷道围岩稳定性控制并延长巷道安全服务期提供科学依据。
1 深部软岩巷道围岩变形破坏特征
某矿区轨道大巷设计长度795m，平均埋深1050m，服务年限20年，断面形状为半圆拱形，净宽5m，净高8.15m。巷道穿越岩体为褐灰色砂质泥岩，岩性较差，且极不稳定，在前期施工中，采用高强(22~ 24mm)锚杆及喷射混凝土支护，巷道使用一段时间后，由于围岩变形量大导致无法正常使用，后经多次维修围岩变形仍无法得到有效控制。
1.1 围岩变形破坏特点
根据现场监测数据及变形情况分析，归纳为以下几点：①巷道围岩变形破坏范围大。通过图l可以看出，巷道轴线方向围岩发生了明显的拱顶下沉、坍塌，拱腰片帮、岩体脱落等问题，整体表现出强烈的断面收敛和围岩破坏。②变形量大。现场监测结果表明，巷道断面整体收缩变形量大，利用初始锚喷支护方案支护，巷道使用1个月后，拱顶平均下沉量大于120cm，有的位置高达150cm，两帮挤入在150—200 cm之间。③围岩变形持续时间长，且具有明显的阶段性。现场位移监测数据表明，围岩变形具有明显的流变性。巷道开挖支护后围岩变形在10d左右达到较高水平，之后经历一段时间的缓慢变形后逐渐趋于稳定。现场监测围岩变形如图l所示。
1.2 围岩破坏深度
巷道开挖后围岩受到扰动，其破碎区、塑性区大小是支护设计的重要依据。为进一步掌握巷道围岩破坏情况，通过钻孔窥视技术，对破碎区、塑性区岩层的厚度进行探测分析。
现场试验段深部巷道围岩测试采用YS(B)型钻孔窥视仪，钻孔方位与巷道垂直，钻头直径42mm。每个断面布置7个探孔，分别位于拱顶、两拱肩、两帮和两侧拱脚，探孔设计深度为7~9m。通过钻孔窥视，获取不同深度围岩变形破坏情况，图2为部分钻孔内部图像。分析围岩破坏情况可知，随着围岩深度的增大，其破坏程度逐渐减小；不同位置处，围岩的破坏情况并不一致，拱顶处破坏深度和范围较拱腰处大。
根据不同探孔的探测结果，考虑不同深度、不同断面位置处围岩破坏程度，将围岩分为破碎区、塑性区和完整区，其分布如图3所示。通过图3所示可以看出，破碎区深度大致分布在围岩3m之内，该区域围岩松散破碎，裂隙较为发育；塑性区深度大致分布在围岩3~7m，该区域内岩体裂隙逐渐减少；当深度超过7m后，开挖对围岩影响较小，岩体完整性较好。
2深部巷道围岩稳定性控制
在深部煤矿巷道支护工程中．支护方式的选择及支护参数的确定往往是影响支护效果，实现巷道长期稳定的重要研究内容。针对围岩破坏情况，提出“刚柔”结合的大变形巷道围岩新型支护方法，并对其支护效果进行数值分析，为深部巷道的施工与设计提供一定的理论指导。
2.1 支护方案
针对深部软岩巷道破坏程度不同，将围岩分为破碎区(0~3m)、塑性区(3~7m)和完整区，为实现对不同破坏程度围岩进行加固并确保支护体系的完整性，同时达到经济合理的效果及巷道的长期稳定性，根据破碎围岩工程现场和室内注浆扩散试验成果，提出“刚柔”结合的大变形巷道围岩新型支护方法，具体实施方案如下：
对0—3m范围内破坏区围岩，注入水泥一水玻璃加固，实现对浅部破碎围岩封闭和加固的效果，为深部塑性区围岩的高压注浆提供条件；对3~7m范围内塑性区围岩，由于巷道开挖影响较小，裂隙发育较弱，采用高压注入化学浆加固；注浆结束后，设置长锚索，将注浆加固区与未受扰动的完整区围岩连接。以上方法实现对巷道围岩的“刚性支护”。
考虑巷道存在的长期变形，“刚性支护”结束后，垫1~3层木板作为缓冲卸压层，并架设可缩性U型钢支架，实现抵御巷道长期变形的“柔性支护”。
针对松散破碎区和塑性区围岩，根据其监测深度分布采用ф22 mm x3000 mm和ф22 mm x7000mm注浆锚索，注浆结束后，设置的长锚索采用ф22mm×9000 mm高强度低松弛预应力钢绞线锚索；破坏区、塑性区注浆锚索和长锚索三者采用插花布置，其间排距分别为600 mm×600 mm、1200 mm x1200mm、1200 mm x1200 mm。底板采用ф22 mm×6200 mm高强钢绞线锚索，其间排距为1300 mm×1300 mm，施加预紧力为150 kN。掘巷后两个月，待硐室变形稳定后，开始浇筑钢筋混凝土，浇筑厚度为500 mm。巷道支护断面如图4所示。
2.2 支护方案数值模拟
根据现场地质勘察报告，计算断面选取巷道埋深为840m。数值计算选取的模型大小为150m×150m，以巷道底板中点作为模型中心。模型左右侧边界施加X方向水平方向约束，底部边界施加Y方向竖直方向约束，整个模型施加岩体自重压力。根据现场地应力测试结果，在模型上方施加13. 50MPa的压应力，侧压力系数为0. 82。选用摩尔一库伦屈服准则来模拟围岩的变形破坏性质。岩层分布如图5所示。
根据岩体力学试验和工程勘察资料，确定围岩力学参数取值见表1。
为研究所提出的“刚柔”结合的软弱大变形巷道新型支护方法的支护效果，应用有限元软件( ABAQUS)对支护方案进行数值模拟研究。数值计算中，注浆加固圈的支护效果通过提高注浆范围内围岩的力学参数来模拟。研究表明，围岩在进行注浆加固以后，其力学参数会有显著提高，弹性模量一般的都能提高30%以上，粘聚力和内摩擦角都能提高20%~30%，同时考虑现场支护效果，确定注浆加固区计算参数（见表2）。
支护方案数值模拟共分为三步：①模型边界施加初始应力进行地应力平衡；②巷道开挖并对围岩注浆加固，同时安装长锚索；③根据施工进度，待注浆后30天，施工缓冲卸压层和U型钢支架。有限元计算模型如图6所示。
图7为新型支护方案下围岩变形及塑性区分布模拟结果。在新型支护条件下，拱顶下沉量仅为7. 44 mm，底鼓量约为31. 52mm；围岩塑性区主要分布于巷道两帮和两侧底角位置，最深处约为1. 82m。与初始支护方案下围岩变形量监测及其变形破坏范围探测结果对比可以看出，新型支护方案下围岩变形以及塑性区面积及深度均有明显减少。
数值计算结果表明，新型支护方案对巷道起到了良好的保护作用，对于改善围岩受力状态，控制巷道变形，降低松动区范围效果明显。
2.3支护效果
为了监测巷道的变形情况，在整修段巷道内从外口向里80m布置了第一个监测断面，然后每隔50m布置下一个监测断面，共布置了5个监测断面。在每个监测断面上，巷道顶板正中位置布置红外顶板离层仪，用以监测整修后巷道的顶板变形情况；在巷道两帮布置多点位移计，用以监测巷道两帮的变形情况。现场监测变形随时间的变化规律如图8所
示，可以看出：经过近5个月的监测可知，整修段巷道每个监测断面顶底板收敛变形值均能控制在60mm以内，两帮收敛量低于15mm，且巷道后期变形逐渐趋于稳定。
图9为巷道支护5个月后的现场效果图，可以看出在新型支护方案下，围岩变形得到了有效控制，经过近5个月的现场位移监测表明，巷道处于稳定状态，工业试验后巷道断面收敛率低于5%。表明新型支护方案能够满足深部软岩巷道稳定性控制的要求。
3结论
1)以某深部软岩巷道工程建设为例，采用现场围岩变形监测、松动区钻孔探测等方法，分析围岩长期变形趋势及破坏机理。
2)针对围岩破坏特征，提出了“刚柔”结合的软弱大变形巷道围岩新型支护方法：根据围岩破坏深度不同，采用不同注浆方法分区域加固，形成“刚性”承载圈，并在巷道最外部设置缓冲层及可缩性U型钢支架，形成柔性加固圈。
3)利用有限元模型对新型支护方法的支护效果进行了数值模拟，结合现场监测变形数据分析，验证新型支护方案的合理性。在新型支护方案下，围岩变形得到了有效控制，工业试验后巷道断面收敛率低于5%。表明新型支护方案能够满足深部软岩巷道稳定性控制的要求，对类似工程的施工具有一定的指导意义。
上一篇:鹿血低聚肽的氨基酸成分分析
